湊試法擴充臨界比例度法擴充響應曲線法整定PID參數(shù)單片機源程序帶死區(qū)PID算法

ID:275622 · 發(fā)表于 2018-1-13 17:19

學過的單片機實驗內(nèi)容及程序

計算機控制技術(shù)綜合性實驗指導書-電氣（單片機實驗）
編寫：蒙志強

重慶交通大學機電與汽車工程學院
機電與自動化控制實驗室
2017年3月1日
目錄
項目一、湊試法整定PID參數(shù)
項目二、帶死區(qū)PID算法
項目三、擴充臨界比例度法PID參數(shù)
項目四、擴充響應曲線法整定PID參數(shù)

項目1 湊試法整定PID參數(shù)
一、實驗目的
1．了解PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。
2．學習湊試法整定PID參數(shù)。
3．掌握積分分離法PID控制規(guī)律
二、實驗設備
PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊
三、實驗原理和內(nèi)容

圖3.2－1

圖3.2－1是一個典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖，其硬件電路原理及接線圖可設計如下，圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。

上圖中，控制計算機的“OUT1”表示386EX內(nèi)部1＃定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期＝定時器時常，“IRQ7”表示386EX 內(nèi)部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。

這里，系統(tǒng)誤差信號E通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元“IN7”端輸入，控制機的定時器作為基準時鐘 (初始化為10ms)，定時采集“IN7”端的信號，并通過采樣中斷讀入信號E的數(shù)字量，并進行PID計算，得到相應的控制量，再把控制量送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，由“OUT1”端輸出相應的模擬信號，來控制對象系統(tǒng)。

本實驗中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，會有較大的誤差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，因此在積分項的作用下，往往會使系統(tǒng)超調(diào)變大、過渡時間變長。為此，可采用積分分離法PID控制算法，即：當誤差e ( k ) 較大時，取消積分作用；當誤差e ( k ) 較小時才將積分作用加入。

討論PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響：

(1) 增大比例系數(shù)KP一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。

(2) 增大積分時間參數(shù)TI有利于消除靜差、減小超調(diào)、減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。

(3) 增大微分時間參數(shù)TD有利于加快系統(tǒng)響應，使超調(diào)量減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。

在調(diào)整參數(shù)時，可以使用湊試法。參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行“先比例，后積分，再微分”的步驟。

(1) 首先整定比例部分。將比例系數(shù)KP由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直到響應曲線超調(diào)小、反應快。如果系統(tǒng)沒有靜差，或者靜差小到允許的范圍內(nèi)，那么只需比例調(diào)節(jié)器即可。

(2) 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則須加入積分作用。整定時首先置積分時間TI為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小 (如80％)，然后減小積分時間，使靜差得到消除。如果動態(tài)性能 (過渡時間短) 也滿意，則需PI調(diào)節(jié)器即可。

(3) 若動態(tài)性能不好，則需加入微分作用。整定時，使微分時間TD從0變大，并相應的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直到滿意結(jié)果

由于PID三個參數(shù)有互補作用，減小一個往往可由幾個增大來補償，因此參數(shù)的整定值不唯一，不同的參數(shù)組合完全有可能得到同樣的效果。

四、實驗步驟

1．參考流程圖3.2－3編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。

2．按照實驗線路圖3.2－2接線，檢查無誤后開啟設備電源。

3．調(diào)節(jié)信號源中的電位器及撥動開關(guān)，使信號源輸出幅值為2V，周期6S的方波。確定系統(tǒng)的采樣周期以及積分分離值。

4．裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數(shù))、TI (積分系數(shù))和TD (微分系數(shù)) 加入變量監(jiān)視，以便實驗過程中觀察和修改。

5．運行程序，將積分分離值設為最大值7FH (相當于沒有引入積分分離)，用示波器分別觀測輸入端R和輸出端C。

6．如果系統(tǒng)性能不滿意，用湊試法修改PID參數(shù)，直到響應曲線滿意，并記錄響應曲線的超調(diào)量和過渡時間。

7．修改積分分離值為20H，記錄此時響應曲線的超調(diào)量和過渡時間，并和未引入積分分離值時的響應曲線進行比較。

8．將6和7中的較滿意的響應曲線分別保存，在畫板、PHOTOSHOP中處理后粘貼到WORD中，方便形成實驗報告。

五、實驗代碼：

功能描述：實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的功能。

*****************************************/
#include <reg51.h>
#include <absacc.h>
#include <math.h>
/*****************************************
宏定義
*****************************************/
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define ADC_7 XBYTE[0x0600] //定義模數(shù)轉(zhuǎn)換IO地址
#define DAC_1 XBYTE[0x0640] //定義D/A第一路的IO地址
/*****************************************
全局變量定義
*****************************************/
sbit str = P1^7; //定義A/D啟動信號
sbit DIN0 = P1^0; //聲明同步信號
uint data time; //聲明變量，用于定時
uchar data t0_h,t0_l; //用于存儲定時器0的初值
char TK=5; //聲明采樣周期變量,//采樣周期＝TK*10ms
char TC; //TK的變量
float kp=0.20; //比例系數(shù)
char ti=30; //積分系數(shù)
char td=1; //微分系數(shù)
char IBAND=32; //積分分離值
char EK; //當前采樣的偏差值
char EK_1; //上一次采樣的偏差值
char AEK; //偏差的變化量
char UK; //當前時刻的D/A輸出
int ZEK;
/*****************************************
主函數(shù)
*****************************************/
void main(void)
{
TMOD = 0x01;
time = 10; //定時10ms
t0_h = (65536-500*time)/256; //計算定時器0初值
t0_l = (65536-500*time)%256;
t0_l = t0_l+20; //修正因初值重裝而引起的定時誤差
TH0 = t0_h;
TL0 = t0_l;
IT1 = 1; //邊沿觸發(fā)中斷
EX1 = 1; //開外部中斷1
ET0 = 1; //開定時中斷0
TR0 = 1; //啟動定時器
TC = 1;
DAC_1= 0x80; //D/A清零
EK=EK_1=0; //變量清零
AEK=UK=0;
ZEK=0;
EA = 1; //開總中斷
while(1);
}
/**********************************************
函數(shù)名：INT1
功能：1號外部中斷服務程序
參數(shù) ：無*
返回值：無 *
***********************************************/
void int1() interrupt 2 using 2
{ float P,D,I,TEMP;
DIN0 = 1; //讀取輸入前，先輸出高電平
if(DIN0) //判同步信號到否
{
EK=EK_1=0; //變量清零
UK=AEK=0;
ZEK=0;
DAC_1 =0x80; //D/A輸出零
TC=1;
}
else
{
TC--; //判采樣周期到否
if(TC==0)
{
EK = ADC_7-128; //采樣當前的偏差值，并計算偏差的變化量
AEK =EK-EK_1;
EK_1=EK;
if(abs(EK)> IBAND) I=0; //判積分分離值
else
…………
…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………

復制代碼

六、實驗結(jié)果及分析

項目2 帶死區(qū)PID控制

一、實驗目的

掌握帶死區(qū)的PID控制規(guī)律

二、實驗設備

PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊

三、實驗原理及內(nèi)容

1．在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免過于頻繁的控制動作，為了消除由于頻繁動作所引起的振蕩，通常采用帶死區(qū)的PID控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實際上是一個非線性控制系統(tǒng)。其基本思想是：可以按實際需要設置死區(qū)B,當誤差的絕對值B時，P (K)為0，U (K)也為常值，實際應用中，常值是由經(jīng)驗值來確定的；當>B時，P (K)= , U (K)以PID運算的結(jié)果輸出。

圖3.3－1

2．圖3.3－1所示的方框圖，其硬件電路原理及接線圖見圖3.3－3。

圖3.3－3

四、實驗步驟

1．參照圖3.3－2的流程圖編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。

2．按照實驗線路圖3.3－3接線，檢查無誤后開啟設備電源。調(diào)節(jié)信號源中的電位器和撥動開關(guān)，使信號源輸出幅值為4V，周期6S的方波。

3．裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數(shù))、TI (積分系數(shù))、TD (微分系數(shù))、PT(死區(qū)變量值) 和 CONST(常值)加入變量監(jiān)視，以便實驗過程中觀察和修改。

4．運行程序，將死區(qū)寬度B (PT) 設為最小值00H (相當于沒有引入死區(qū)控制)，用示波器分別觀測控制量輸出端U (即數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的“OUT1”端) 和對象輸出端C。

5．如果系統(tǒng)性能不滿意，用湊試法修改PID參數(shù)，直到響應曲線滿意。

6．修改死區(qū)寬度B (PT)為02H，用示波器分別觀測控制量輸出端U (即數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的“OUT1”端) 和對象輸出端C，記錄并和積分分離時的響應曲線進行比較

五、實驗代碼
功能描述：實現(xiàn)死區(qū)PID數(shù)字調(diào)節(jié)器，死區(qū)寬度和常值可根據(jù)實際情況進行修改

（源碼見附件）

六、實驗結(jié)果分析

項目3 擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)

一、實驗目的

1．學習并掌握擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)。

二、實驗設備

PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊

三、實驗原理及內(nèi)容

1、實驗原理

擴充臨界比例度法是對模擬調(diào)節(jié)器中的臨界比例度法的推廣，在工程實踐中最常用，其參數(shù)整定步驟如下：

(1) 選擇一個足夠小的采樣周期T，一般取系統(tǒng)純滯后時間的1/10以下。

(2) 使系統(tǒng)閉環(huán)工作，只用比例控制，增大比例系數(shù)KP直到系統(tǒng)等幅振蕩，記下此時的臨界比例系數(shù)KPU和臨界振蕩周期TU (見圖3.4－1)。

圖3.4－1

(3) 選擇控制度 (1.05~2.0)�？刂贫戎笖�(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器控制效果之比。

(4) 根據(jù)控制度，查表3.4－1計算出采樣周期T和KP、TI、TD。

表3.4－1

控制度	T	KP	TI	TD
1.05	0.014TU	0.63KPU	0.49TU	0.14TU
1.2	0.043TU	0.47KPU	0.47TU	0.16TU
1.5	0.09TU	0.34KPU	0.43TU	0.20TU
2.0	0.16TU	0.27KPU	0.40TU	0.22TU

2) 實驗設計

圖3.4－2是一個PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的實驗電路原理及接線圖，圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應的程序流程圖和3.2節(jié)中的圖3.2－3是一樣的，實驗中的參數(shù)取值范圍規(guī)定為：

參數(shù)名稱	T	KP	TI	TD
取值范圍	1～FFH	0～FFFFH	1～7FFFH	0～7FFFH
實際量綱	10～2550ms	0～1倍	10ms～327.67s	0ms～327.67s

圖3.4－2

上圖中，控制計算機的“OUT1”表示386EX內(nèi)部1＃定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期＝定時器時常，“IRQ7”表示386EX 內(nèi)部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。

本實驗中，將針對該閉環(huán)系統(tǒng)應用臨界比例度法來整定PID參數(shù)。

四、實驗步驟

(1) 編寫程序，檢查無誤后編譯、鏈接并裝載程序。

(2) 按照實驗線路圖3.4－2接線，調(diào)節(jié)信號源使其輸出幅值為3V，周期6S的方波。

(3) 由于模擬對象的慣性時常約為250ms，取采樣周期T=10ms。

(4) 裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數(shù))、TI (積分系數(shù))和TD (微分系數(shù))加入變量監(jiān)視，以便實驗過程中觀察和修改。

(5) 運行程序且只用比例控制 (EI = 0，TD = 0)，KP由小變大，使系統(tǒng)等幅振蕩，記下此時的臨界比例系數(shù)KPU和臨界振蕩周期TU。

(6) 查表3.4－1，選擇控制度2.0，計算出采樣周期T和KP、TI、TD。

(7) 將參數(shù)重新寫入PID控制程序，運行程序并用示波器觀測輸入和輸出，如果控制效果不太滿意，可適當結(jié)合湊試法調(diào)整參數(shù)，直到滿意為止。

五、實驗代碼

功能描述：利用此程序可以實現(xiàn)臨界比例度法整定PID參數(shù)。

（源碼見附件）

六、實驗結(jié)果

項目4 擴充響應曲線法整定PID參數(shù)

一、實驗目的

1．學習并掌握擴充響應曲線法整定PID參數(shù)。

二、實驗設備

PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊

三、實驗原理及內(nèi)容

1 實驗原理

擴充響應曲線法是模擬調(diào)節(jié)器的響應曲線法的一種擴充，也是一種常用的工程整定方法。其參數(shù)整定步驟如下：

(1) 使數(shù)字調(diào)節(jié)器不接入系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，當系統(tǒng)穩(wěn)定在某一值處后，給對象一個階躍輸入。

(2) 用儀表記錄下被調(diào)量在階躍輸入下的整個響應曲線，見圖3.4－3。

圖3.4－3

圖中“”表示對象的時間常數(shù)；“”表示對象的純滯后時常

(4) 根據(jù)所得的、，查表3.4－2計算出采樣周期T和KP、TI、TD

表3.4－2

控制度	T	KP	TI	TD
1.05	0.05	1.15	2.00	0.45
1.2	0.16	1.0	1.90	0.55
1.5	0.34	0.85	1.62	0.65
2.0	0.60	0.60	1.50	0.82

2) 實驗設計

同樣，圖3.4－4也是一個PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的實驗電路原理及接線圖，圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應的程序流程圖和3.2節(jié)中的圖3.2－3是一樣的。本實驗中，將針對該閉環(huán)系統(tǒng)應用擴充響應曲線法來整定PID參數(shù)。

圖3.4－4中，控制計算機的“OUT1”表示386EX內(nèi)部1＃定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期＝定時器時常，“IRQ7”表示386EX 內(nèi)部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。

實驗中，參考程序中的參數(shù)取值范圍規(guī)定為：

參數(shù)名稱	T	KP	TI	TD
取值范圍	1～7FH	0～800H	1～1FFH	0～1FFH
實際量綱	10～1270ms	0～8倍	10ms～5110s	0ms～5110ms

圖3.4－4

四、實驗步驟

(1) 參照圖3.4－5接線，調(diào)節(jié)器先不接入系統(tǒng)中。圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。

圖3.4－5

(2) 調(diào)節(jié)信號源使其“OUT”輸出幅值為2V，周期12S的方波。

(3) 用示波器測量系統(tǒng)輸出“C”，并記錄下波形。在響應曲線最大斜率處作切線，用游標測量，作圖求得滯后時間和對象時常。計算出/，查表3.4－2，控制度選擇2.0時可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的KP、TI、TD以及采樣周期T的初始值。

按照圖3.4－4接線，將數(shù)字調(diào)節(jié)器接入系統(tǒng)，將以上得到的參數(shù)KP、TI、TD和T重新寫入程序中，然后編譯、鏈接。

(5) 裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數(shù))、TI (積分系數(shù))和TD (微分系數(shù))加入變量監(jiān)視，以便實驗過程中觀察和修改。

(6) 運行程序，用示波器測量系統(tǒng)輸出“C”，觀察數(shù)字調(diào)節(jié)器在這組參數(shù)下的控制效果，若不理想，可適當調(diào)整參數(shù)，直到控制效果滿意為止。

五、實驗代碼

功能描述：此程序可以作為擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的驗證程序，可把整定后的PID參數(shù)寫入程序中。

（源碼見附件）

六、實驗結(jié)果分析

全部資料51hei下載地址：

計算機控制技術(shù)綜合性實驗指導書-電氣（新設備）.docx (404.12 KB, 下載次數(shù): 25)
程序：

example51_c.rar (382.72 KB, 下載次數(shù): 29)

ID:335031 · 發(fā)表于 2018-11-28 20:08

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